СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ЯДЕР КАВИТАЦИИ ЖИДКОСТИ Российский патент 2005 года по МПК G01M10/00 G01N7/14 

Изобретение относится к технике исследований теплофизических свойств состояния жидкостей и может найти применение при оценке прочностных свойств жидкостей, исследованиях антикавитационной устойчивости, например насосных устройств при перекачке нефтей.

Известны различные способы определения концентрации ядер кавитации голографирование, ультразвуковой, оптический, гидродинамический (см. Гаврилов Л.Р. Экспериментальные исследования спектрального распределения ядер кавитации в воде. М., Энергомашиностроение, 1966, №2, с.41-42; Барабанова Г.Я. и др. Исследование зависимости между прочностью и размерами кавитационных ядер “Акустический журнал” т. XXVII, вып.1, 1981, с.43-49).

Недостаток - известные способы требуют сложного оборудования.

Наиболее близким по технической сущности является гидродинамический способ определения концентрации ядер кавитации, основанный на регистрации количества образующихся каверн в зоне разрежения при заданных растягивающих напряжениях (см. Барабанова Г.Я. и др. Определение концентрации ядер кавитации в воде. “Акустический журнал”, т.XXIII, 1977, с.854-860).

Недостаток - указанная регистрация осуществляется с помощью сложной оптической аппаратуры, имеющей к тому же ограниченную разрешающую способность, что в свою очередь связано с ограничением стадии кавитации, т.е. частоты следования каверн. Кроме того, к недостаткам этого способа следует отнести также необходимость наличия исходной информации, плотность распределения зародышей, их размеры.

Цель изобретения - повышение эффективности способа путем упрощения способа определения концентрации ядер кавитации, соответствующих режиму развитой кавитации, приводящей к резкому ухудшению параметров гидравлической системы (например, снижение напора, падение к.п.д. центробежного насоса).

Поставленная цель достигается тем, что в проточной части трубки с пережатием проточной части устанавливают кавитационный режим запирания расхода и в зоне разрежения измеряют величину критического давления кавитации и расход жидкости, по которому определяют ее скорость в горловине трубки, полученную величину критического давления кавитации относят к давлению насыщенного пара перекачиваемой жидкости, после чего наносят на предварительно построенный расчетный график зависимости относительной величины критического давления от критической скорости потока в горловине канала в момент установления режима запирания при различной концентрации ядер кавитации и путем интерполяции определяют искомую концентрацию ядер кавитации перекачиваемой жидкости.

Для определения искомой концентрации ядер кавитации перекачиваемой жидкости используют зависимости предварительно построенные на основе соотношений, описывающих указанный режим кавитации:

где К_т - коэффициент температурного запаздывания;

N_v - концентрация ядер кавитации (число критических зародышей в единице объема);

А - коэффициент, равный

g - плотность перекачиваемой жидкости;

n - коэффициент, характеризующий степень роста пузырька со временем;

L - расстояние от сечения, соответствующего условию начала роста зародышевого пузырька до выходного сечения пережатого участка канала;

Ra - безразмерный комплекс, Ra=В_р-Р_1l ;

где В_р - коэффициент тепловой кавитации (Рахматуллин Ш.И. Кавитация в гидравлических системах магистральных нефтепроводов. М.: Недра, 1986, с.165);

P_1l - истинное давление насыщенного пара (ИДНП) перекачиваемой жидкости;

- относительная величина критического давления кавитации;

W - скорость в пережатом сечении на максимальной производительности;

Θ _кр - безразмерный комплекс, Θ _кр=B_p·_{g· Wокр,}

где g - плотность перекачиваемой жидкости.

На фиг.1 изображена схема устройства для осуществления способа посредством изменения критического давления и последующего определения искомого параметра - концентрации ядер кавитации жидкости.

На фиг.2 приведен график зависимости относительной величины критического давления кавитации от скорости жидкости в пережатом сечении W_окр для различных концентраций ядер кавитации N_v перекачиваемой жидкости. Зависимости предварительно строятся для конкретных условий перекачки на основании уравнений (1).

В качестве примера совместное решение уравнений (1) в виде графика приведено на фиг.3.

Схема устройства включает трубопровод 1, отбирающий часть жидкости из нефтепровода 2, на котором расположены последовательно счетчик расхода 3, узел замера температур 4, трубка с пережатым сечением 5. На входе и выходе трубки находятся задвижки 6. Давление в канале трубки замеряется манометрами 7.

Способ осуществляется следующим образом.

С помощью задвижек 6 в проточной части трубки 5 устанавливают кавитационный режим, соответствующий режиму запирания расхода, что приведено на фиг.4, когда последний остается неизменным при увеличении разности давлений на входе и выходе трубки (горизонтальный участок Q=f(P₁-P₅) за счет снижения противодавления P₅,и на этом режиме манометрами 7 измеряют величину критического давления кавитации (Р_кр=P₂) - давление в пережатом сечении канала трубки (это показано на фиг.4 штрихпунктирными линиями - показано, как определяют ) и одновременно с помощью счетчика 3 замеряют расход жидкости, по которому определяют ее скорость - W_окр. Полученную величину критического давления, отнесенную к давлению насыщенного пара перекачиваемой жидкости, наносят на предварительно построенный график (фиг.2) и путем интерполяции определяют концентрацию кавитации перекачиваемой жидкости.

Предлагаемый способ прост по сравнению с прототипом и может быть применен, например, в условиях эксплуатации нефтепровода без использования сложного оборудования.

Пример расчета для построения графика

Расчет для построения каждой зависимости ведется для заданной величины концентрации ядер кавитации с учетом свойств перекачиваемой жидкости. Расчет сводится к решению замкнутой системы уравнений с двумя неизвестными:

с помощью графоаналитического метода.

Коэффициент, характеризующий степень роста пузырька со временем n=1,0 для инерционной модели роста пузырька.

Критерий тепловой кавитации В_р=52· 10^-5 м²/н, P_1l =1,13· 10⁵ н/м²

Безразмерные комплексы: Ra=58,76 и

Длина зоны с давлением, соответствующим условию потери устойчивости пузырька, принимается равной длине узкой цилиндрической части кавитационной трубки L=20· 10^-3 м; коэффициент

К_т - коэффициент температурного запаздывания.

Для принятой величины концентрации N_v=10³.

Задаваясь различными значениями для заданной скорости W_окр, при совместном решении уравнений системы, находим коэффициент K_т1 и К_т2, соответствующие условию падения давления в узкой цилиндрической части кавитационной трубки до критического.

Так, например, для скорости в узкой части кавитационной трубки на режим запирания при W_окр=10 м/с получаем следующие расчетные данные:

Пересечение кривых даст значение при скорости W_окр=10 м/с для N_v=const=10³ (фиг.3). Остальные точки находятся аналогично (см. фиг.2).

При практическом определении концентрации ядер кавитации на график наносятся экспериментальные точки, полученные для режимов запирания расходов в узком сечении при различных скоростях W_окр, и строится экспериментальная зависимость а затем путем интерполяции определяется искомая величина N_v.

Для иллюстрации сказанного на фиг.2 показаны экспериментальные точки, полученные при скоростях W_окр=18,0 м/с; 19,0 м/с и 33,0 м/с; 35,0 м/с и искомая кривая расположена между расчетными кривыми для N_v=10⁴ и N_v=10⁵. Путем интерполяции устанавливаем, что искомая кривая соответствует концентрации ядер, равной N_v=5· 10⁴ м³.

Использование: для измерения теплофизических свойств и состояния жидкостей. Сущность: в проточной части трубки с пережатием проточной части устанавливают кавитационный режим запирания расхода, и в зоне разрежения измеряют величину критического давления кавитации и расход жидкости, по которому определяют ее скорость в горловине трубки. Полученную величину критического давления кавитации относят к давлению насыщенного пара перекачиваемой жидкости, после чего вносят на предварительно построенный расчетный график зависимости относительной величины критического давления от критической скорости потока в горловине канала в момент установления режима запирания при различной концентрации ядер кавитации и путем интерполяции определяют искомую концентрацию ядер кавитации перекачиваемой жидкости. Технический результат: повышение эффективности определения концентрации ядер кавитации. 4 ил.

Способ определения концентрации ядер кавитации жидкости, включающий регистрацию критического давления кавитации в трубке с пережатием, перекачивающей жидкость в кавитационном режиме, отличающийся тем, что в проточной части трубки с пережатием проточной части устанавливают кавитационный режим запирания расхода и в зоне разрежения измеряют величину критического давления кавитации и расход жидкости, по которому определяют ее скорость в горловине трубки, полученную величину критического давления кавитации относят к давлению насыщенного пара перекачиваемой жидкости, после чего вносят на предварительно построенный расчетный график зависимости относительной величины критического давления от критической скорости потока в горловине канала в момент установления режима запирания при различной концентрации ядер кавитации и путем интерполяции определяют искомую концентрацию ядер кавитации перекачиваемой жидкости.